[논문]전자전달증대기를 이용한 고효율 태양전지 시스템에서 전자전달증대기 입력 교류 전압 변화에 따른 태양전지 효율 향상에 대한 연구

김학수; 유영기; 이혁; 윤소영

doi:10.5757/jkvs.2013.22.3.168

초록
AI-Helper

본 연구에서는 기존의 상업용 태양전지에서 전자-정공 재결합을 최소화하여 태양전지의 효율을 향상시키는 부가장치인 전자전달증대기(Electron Relay Enhancer: ERE)를 소개한다. 전자전달증대기는 교류 전력 공급 장치와 연결된 두 개의 캐패시터와 전자의 흐름 방향을 제어하는 브릿지 다이오드 시스템으로 구성되어 있다. 두 개의 캐패시터는 브릿지 다이오드 시스템을 통하여 태양전지로부터 전자를 포집하고 포집된 전자를 로드저항이나 인버터쪽으로 펌핑하는 것을 반복한다. 양으로 대전된 한 개의 캐패시터가 전자를 포집하는 동안 음으로 대전된 다른 캐패시터는 전자를 펌핑한다. 태양전지에서 여기된 전자가 정공에 재결합되기 전에 양으로 대전된 캐패시터는 태양전지로부터 더 많은 여기된 전자를 끌어온다. 이러한 까닭에 ERE 시스템은 태양전지의 효율을 증대시킨다. 연구결과로 ERE 활성 시 태양전지의 증가된 전력은 각각의 실험조건에서 5.9 W에서 25.6 W사이였고, 가장 높은 태양전지전력증가율은 ERE 비활성 시 태양전지 전력의 30.8%였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we would like to introduce Electron Relay Enhancer (ERE), a supplementary device, which improves commercial solar cell efficiency minimizing electron-hole recombination of solar cell. The ERE in this study is mainly composed of two capacitors which are connected to AC power source and...

In this paper, we would like to introduce Electron Relay Enhancer (ERE), a supplementary device, which improves commercial solar cell efficiency minimizing electron-hole recombination of solar cell. The ERE in this study is mainly composed of two capacitors which are connected to AC power source and bridge diode system which controls electron flow direction. Two capacitors repeat collecting electrons from solar cell and pumping the collected electrons to load resistance or inverter through the bridge diode system. While one positively charged capacitor collect electrons, the other negatively charged one pumps electrons. A positively charged capacitor pulls the more exited electrons from the solar cell, before the exited electrons recombine the holes in solar cell. That is why the ERE system enhances solar cell efficiency. As a result, the measured power increase of the solar cell with the ERE is varied from 5.9 W to 25.6 W in each experimental condition. Maximal increase rate of the solar cell power with ERE is 30.8% of solar cell power without ERE.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구의 목적은 태양전지로부터 생성된 전자의 손실을 최소화하고 생성된 전자와 정공의 재결합 최소화를 이끌어 내어 태양전지 효율을 향상시킬 수 있는 전자전달증대기 (Electron Relay Enhancer: ERE) 연구 개발에 있다 [11]. 또한 전자전달증대기의 구동에 필요한 에너지의 최소화와 더불어 태양전지의 출력에너지를 극대화할 수 있는 최적의 조건을 찾는 것이 이 연구의 목적이라 할 수 있다.
본 논문은 지식경제부 (충청권)광역경제권연계협력사업인 “태양전지 효율극대화를 위한 전자전달증대장치” 과제의 일환으로 수행되었다.
본 연구의 목적은 태양전지로부터 생성된 전자의 손실을 최소화하고 생성된 전자와 정공의 재결합 최소화를 이끌어 내어 태양전지 효율을 향상시킬 수 있는 전자전달증대기 (Electron Relay Enhancer: ERE) 연구 개발에 있다 [11]. 또한 전자전달증대기의 구동에 필요한 에너지의 최소화와 더불어 태양전지의 출력에너지를 극대화할 수 있는 최적의 조건을 찾는 것이 이 연구의 목적이라 할 수 있다.
전자전달증대기를 활용한 태양전지 실험의 변수는 입력 AC 전압과 구형파의 주파수이다. 최종 목표는 최적의 전압과 주파수를 입력해서 전자전달증대기 소비전력을 최소화하고 태양전지의 효율을 최대화하는 것이다.

제안 방법

그리고 전자전달증대기의 입력주파수를 10∼90 Hz까지 입력전압을 20∼100 V까지 변화시켜 전자전달증대기 소모전력(W_ERE)을 측정하였고 이렇게 전자전달증대기 활성 시 로드저항에서의 태양 전지 전력을 측정하여 전자전달증대기 비활성시의 전력 값과 비교하여 그 차이를 계산하였다.
먼저 전자전달증대기 비활성화 상태에서 태양전지의 최대 전력을 측정하였다(Fig. 4). 일반적으로 이는 솔라 시뮬레이터(solar simulator)를 이용하나 전자전달증대기의 특성상 아직 솔라 시뮬레이터를 이용하면 측정이 불가하기에 저항을 변화시키면서 전력을 측정하였다.
먼저 태양전지 저항을 변화시켜 태양전지 최대출력인 MPP (maximum power point)를 찾고 그 최대출력 점에서 전자전달증대기를 활성화시켰다. 그리고 전자전달증대기의 입력주파수를 10∼90 Hz까지 입력전압을 20∼100 V까지 변화시켜 전자전달증대기 소모전력(W_ERE)을 측정하였고 이렇게 전자전달증대기 활성 시 로드저항에서의 태양 전지 전력을 측정하여 전자전달증대기 비활성시의 전력 값과 비교하여 그 차이를 계산하였다.
따라서 이 때 설정되는 AC 전원 전압과 구형파의 주파수는 연구의 중요한 변수가 된다. 물론 ERE에 사용되는 커패시터의 종류와 용랑도 중요한 변수이나 일단 커패시터 변수는 고정 값으로 하고 AC 전원 전압과 구형파 주파수에 따른 태양전지의 효율 증대 변화를 먼저 연구하였다.
그리고 전자전달증대기의 입력주파수를 10∼90 Hz까지 입력전압을 20∼100 V까지 변화시켜 전자전달증대기 소모전력(W_ERE)을 측정하였고 이렇게 전자전달증대기 활성 시 로드저항에서의 태양 전지 전력을 측정하여 전자전달증대기 비활성시의 전력 값과 비교하여 그 차이를 계산하였다. 전압을 변화시켜 전압 변화에 따른 태양전지 효율 증가 변화를 알아보았다.
1과 같이제 1 및 제 2 전자유도 및 펌핑장치와 전자경로 선택장치를 포함한다. 제 1, 제 2전자유도 및 펌핑장치는 AC power supply의 제어신호에 응답하여 선택된 서로 다른 극성을 가진 2개의 전압전원 중 양극성 전압을 이용하여 전자를 유도하고, 즉, 전자를 포집하고, 유도된 전자를 음극성 전압을 이용하여 펌핑한다. 이 전자유도 및 펌핑장치는 캐패시터와 AC power supply로 구성된다.

대상 데이터

전자전달증대기를 활용한 태양전지 실험의 변수는 입력 AC 전압과 구형파의 주파수이다. 최종 목표는 최적의 전압과 주파수를 입력해서 전자전달증대기 소비전력을 최소화하고 태양전지의 효율을 최대화하는 것이다.

성능/효과

1) AC전압을 사용하여 다이오드를 거쳐 커패시터로 전자를 유도하며 유도된 전자들은 로드저항으로 펌핑되어 효율이 증가한다.
2) 전자전달증대기의 MPP는 특정전압과 주파수 대역에 따라 나타나며 최적전압을 지날 경우 전자전달증대기의 소비전력이 상승하여 효율이 저하된다.
3) AC전압을 20 V∼100 V 인가하였을 때 35 V, 50 Hz 에서 25.6 W 상승하였으며 이는 전자전달증대기 비활성시보다 약 30.8%의 효율상승을 나타낸다.
즉 다시 말해 커패시터는 특정 주파수에서 최소치의 임피던스 값을 보이는데 이와 연관되어 ERE 소비전력도 특정 주파수 대역에서만 최소치를 보인다. 그러한 까닭에 두 번째 실험에서는 주파수를 50 Hz로 고정을 시키고 전압을 바꿔서 실험한 결과 전압이 높아짐에 따라 최대 값을 지나 다시 효율이 떨어짐을 볼 수 있었는데 이는 Table 2에서 보는 것처럼 최적 전압(35 V)을 지날 경우 전자전달증대기의 소비전력이 급격히 증가하여 Fig. 6과 같이 효율이 떨어지는 것을 보여주었다.
전압의 경우는 약 35 V에서 최대치를 보여주는데 이는 태양전지 최대 출력 전압보다 근소하게 높은 전압이었다. 따라서 실험의 결과 최적의 전자전달증대기의 입력 AC 전압과 주파수는 각 각 35 V, 50 Hz였으며 이 때 태양전지 상승전력증가율은 식 2에 따라서 약 30.8%였다. 현재 전자전달증대기의 최적 입력 전압과 주파수를 자동으로 선택할 수 있는 센싱기술과 회로 알고리즘을 개발 중이며 궁극적으로는 전자전달증대기의 전력 공급을 외부 전력이 아닌 태양전지 자체 전력으로 충당할 연구가 현재 진행 중에 있다.
본 연구에 따른 전자전달증대기 및 전자전달증대기를 구비한 태양전지 시스템은 태양전지에서 생성된 전하를 최대한 충전장치로 전달할 수 있으므로, 태양전지에서 생성된 전하가 전하충전장치로 전달되는 효율을 최대한으로 크게할 수 있는 이점이 있다.

후속연구

기존 태양전지의 경우, 축적된 전기에너지 즉 전자들이 충전지에 전달되지 못하여 생성된 전자의 개수와 충전에 사용된 전자 개수의 비율이 상당히 낮아 변환 효율을 더욱 더 감소시키는 것으로 보고되었다 [10]. 따라서 태양전지로부터 생성된 전자의 손실을 최소화하여 가용한 전기 에너지로 전환시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자전달증대기의 교류 전력 공급 과정을 설명하시오	전자전달증대기는 교류 전력 공급 장치와 연결된 두 개의 캐패시터와 전자의 흐름 방향을 제어하는 브릿지 다이오드 시스템으로 구성되어 있다. 두 개의 캐패시터는 브릿지 다이오드 시스템을 통하여 태양전지로부터 전자를 포집하고 포집된 전자를 로드저항이나 인버터쪽으로 펌핑하는 것을 반복한다. 양으로 대전된 한 개의 캐패시터가 전자를 포집하는 동안 음으로 대전된 다른 캐패시터는 전자를 펌핑한다. 태양전지에서 여기된 전자가 정공에 재결합되기 전에 양으로 대전된 캐패시터는 태양전지로부터 더 많은 여기된 전자를 끌어온다. 이러한 까닭에 ERE 시스템은 태양전지의 효율을 증대시킨다.
	전자전달증대기란 어떤 장치인가?	본 연구에서는 기존의 상업용 태양전지에서 전자-정공 재결합을 최소화하여 태양전지의 효율을 향상시키는 부가장치인 전자전달증대기(Electron Relay Enhancer: ERE)를 소개한다. 전자전달증대기는 교류 전력 공급 장치와 연결된 두 개의 캐패시터와 전자의 흐름 방향을 제어하는 브릿지 다이오드 시스템으로 구성되어 있다.
	전자전달증대기는 어떻게 구성되어 있는가?	본 연구에서는 기존의 상업용 태양전지에서 전자-정공 재결합을 최소화하여 태양전지의 효율을 향상시키는 부가장치인 전자전달증대기(Electron Relay Enhancer: ERE)를 소개한다. 전자전달증대기는 교류 전력 공급 장치와 연결된 두 개의 캐패시터와 전자의 흐름 방향을 제어하는 브릿지 다이오드 시스템으로 구성되어 있다. 두 개의 캐패시터는 브릿지 다이오드 시스템을 통하여 태양전지로부터 전자를 포집하고 포집된 전자를 로드저항이나 인버터쪽으로 펌핑하는 것을 반복한다.

참고문헌 (11)

J. H. Kim, M. J. Chu, Y. D. Chung, R. M. Park, and H. K. Sung, Electronics and Telecommunications Trends 23, 2 (2008).

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D. S. Bae, Korean Journal of Ceramic 13, 20 (2010).
J. W. Kang, C. H. Son, G. S. Cho, J. H. Yoo, J. S. Kim, C. K. Park, S. D. Cha, and G. C. Kwon, J. Korean Vac. Soc. 21, 62 (2011).
F. Dimorth and S. Kurtz, MRS BULLETIN. 32, 230 (2007).

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R. R. King, D. C. Law, K. M. Edmondson, C. M. Fetzer, G. S. Kinsey, H. Yoon, R. A. Sherif, and N. H. Karam, Appl. Phys. Lett. 90, 183516 (2007).

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N. G. Park, Journal of Industrial and Engineering Chemistry 9, 18 (2006).
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I. G. Park, C. H. Son, M. S. Yun, H. J. Yoo, T. H. Cho, J. U. Kang, M. S. Kwon, and G. C. Kwon, J. Korean Vac. Soc. 1, 310 (2010).
W. Kim, Y. S. Choi, G. S. Lee, S. Y. Cho, and J. S. Hwang, Journal of the Korean Institute of Ekectronical Electronic Material Engineers 24, 654 (2011).

원문보기 상세보기
Patent, patentee: H. G. A, Sunmoon Industry University, Cooperation Foundation, H. S. K, "Electrical Charge Relay Enhancer and Solar Cell System Including the Enhancer" a registration number: 10-1025795, date of registration: 2011.03. 23.

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